\nSupercondutividade \u00e9 a propriedade que apresentam certos materiais s\u00f3lidos de perder bruscamente toda resist\u00eancia \u00e0 passagem da corrente el\u00e9trica quando resfriados abaixo de um ponto m\u00ednimo denominado temperatura de transi\u00e7\u00e3o, ou temperatura cr\u00edtica<\/strong>. <\/p>\n<\/blockquote>\n
Essa temperatura varia conforme o material, mas em geral situa-se abaixo de 20 K (-253\u00b0C). Outra propriedade fundamental dos supercondutores \u00e9 a capacidade de evitar a penetra\u00e7\u00e3o em seu interior de campos magn\u00e9ticos, ou seja, s\u00e3o materiais perfeitamente diamagn\u00e9ticos.<\/p>\n
O descobrimento da supercondutividade se deve ao holand\u00eas Heike Kamerlingh Onnes que, em 1911, enquanto trabalhava com amostras criog\u00eanicas de merc\u00fario met\u00e1lico a temperaturas pr\u00f3ximas do zero absoluto (0 K ou -273,13\u00b0 C), nelas detectou um repentino desaparecimento da resist\u00eancia \u00e0 passagem da corrente el\u00e9trica. <\/p>\n
A descoberta tem util\u00edssimas aplica\u00e7\u00f5es t\u00e9cnicas, pois permite reduzir consideravelmente as perdas que, devido ao aquecimento, sofrem os circuitos el\u00e9tricos, decorrentes da resist\u00eancia \u00e0 corrente dos condutores normais. <\/p>\n
Posteriormente, foram sucessivamente identificadas propriedades supercondutoras em 25 elementos qu\u00edmicos, entre eles o chumbo e o estanho, e milhares de ligas met\u00e1licas e compostos qu\u00edmicos.<\/p>\n
A utiliza\u00e7\u00e3o industrial dos supercondutores, contudo, apresentava dificuldades de ordem pr\u00e1tica, pois as temperaturas de transi\u00e7\u00e3o para a supercondutividade, no caso dos materiais conhecidos, se situavam abaixo de 20 K. <\/p>\n
Para obt\u00ea-las, era necess\u00e1rio empregar dispendiosos e pouco pr\u00e1ticos tanques de h\u00e9lio l\u00edquido. Alguns desses materiais — chamados supercondutores de tipo II — perdem suas propriedades e passam a um estado de condu\u00e7\u00e3o normal quando expostos a campos magn\u00e9ticos muito fortes, mesmo quando se mant\u00e9m a temperatura bem abaixo do ponto de transi\u00e7\u00e3o. <\/p>\n
A supercondutividade foi explicada em 1957 como consequ\u00eancia do acoplamento de dois el\u00e9trons, part\u00edculas elementares de carga el\u00e9trica negativa respons\u00e1veis pela condu\u00e7\u00e3o el\u00e9trica, que constituem os pares de Cooper. <\/p>\n
Esses pares se movem nas superf\u00edcies dos microcristais da rede cristalina dos materiais supercondutores sem sofrerem colis\u00f5es nem perturba\u00e7\u00f5es que reduzam a energia que transportam.<\/p>\n
At\u00e9 1987 usavam-se os supercondutores principalmente para fazer fios condutores de correntes em magnetos supercondutores. Como os supercondutores s\u00f3 conservam suas propriedades a temperaturas muito baixas, era preciso refrigerar os magnetos a h\u00e9lio l\u00edquido, processo caro e trabalhoso. <\/p>\n
Foi ent\u00e3o que surgiram os novos materiais — as cer\u00e2micas e ligas supercondutoras, que mant\u00eam a supercondutividade a temperaturas muito menos baixas e podem, portanto, ser resfriadas com um material bem mais abundante e barato, o nitrog\u00eanio l\u00edquido.<\/p>\n
A partir de ent\u00e3o, multiplicaram-se os estudos sobre os supercondutores e pesquisaram-se numerosos novos materiais capazes de manter a supercondutividade a temperaturas cada vez mais altas. No Brasil, o Instituto de F\u00edsica da Universidade de S\u00e3o Paulo empenhou-se nessa pesquisa e em 1987 f\u00edsicos de S\u00e3o Carlos SP chegaram a conseguir supercondutividade a -170\u00b0C.<\/p>\n
A supercondutividade a temperaturas mais altas abre possibilidades imensas para a tecnologia, pois entre as principais vantagens oferecidas por dispositivos fabricados com supercondutores se incluem a baixa dissipa\u00e7\u00e3o de calor, a grande velocidade de opera\u00e7\u00e3o e a alta sensibilidade. <\/p>\n
Com o avan\u00e7o das pesquisas, pode vir a ser poss\u00edvel fabricar fios que transmitam eletricidade sem perda, baterias que n\u00e3o descarreguem, conex\u00f5es entre pastilhas e placas de circuitos integrados que aumentem sua velocidade e reduzam o calor nos computadores, al\u00e9m de um sem-n\u00famero de dispositivos at\u00e9 ent\u00e3o impens\u00e1veis.<\/p>\n
Em 1995, cientistas americanos criaram um novo tipo de material supercondutor, um filme capaz de conduzir cem vezes mais eletricidade do que qualquer material do g\u00eanero. Com capacidade para operar em fortes campos magn\u00e9ticos, o novo material transporta um milh\u00e3o de amp\u00e8res por cent\u00edmetro quadrado e \u00e9 suficientemente flex\u00edvel para ser conduzido atrav\u00e9s de cabos el\u00e9tricos.<\/p>\n
Fonte: biomania.com<\/p>\n
Supercondutividade<\/h6>\n
\n
Propriedades gerais de supercondutores<\/strong><\/h4>\n
\u00a0A SC foi descoberta por Heike Kammerlingh Onnes em 1911.<\/p>\n
(Onnes ganhou o premio Nobel de F\u00edsica em 1913 por suas descobertas em fen\u00f4menos de baixas temperaturas, que levou a produ\u00e7\u00e3o do helio l\u00edquido.)<\/p>\n
<\/p>\n
Comportamento da resist\u00eancia el\u00e9trica com a temperatura para um condutor normal e um supercondutor:<\/strong><\/p>\n
<\/p>\n
Para um SC a resist\u00eancia cai abruptamente para zero abaixo de Tc enquanto para um condutor normal ela nunca se anula.<\/p>\n
Efeito Meissner<\/h4>\n
<\/p>\n
Elementos Supercondutores<\/h4>\n
<\/p>\n
Equa\u00e7\u00f5es de London <\/strong><\/h4>\n
\u00a0Obtidas pelos irm\u00e3os London com base nas eqs. de Maxwell macrosc\u00f3picas, para permitir explicar a supercondutividade e o efeito Meissner. Consideremos a equa\u00e7\u00e3o de movimento para uma carga q de massa m na presen\u00e7a do campo el\u00e9trico E, sem dissipa\u00e7\u00e3o:<\/p>\n
<\/p>\n
A dens. de corrente e de nida como J = nqv onde n e a densidade volum\u00e9trica de cargas q. Supondo por simplicidade que n seja constante no tempo, podemos multiplicar toda a equa\u00e7\u00e3o acima por nq para obter:<\/p>\n
<\/p>\n
Considerando as equa\u00e7\u00f5es de Maxwell macrosc\u00f3picas:<\/strong><\/p>\n
<\/p>\n
Podemos calcular o rotacional de (2) para relacionar esta com a lei de Faraday (5):<\/strong><\/p>\n
<\/p>\n
Eliminando a derivada temporal camos com:<\/p>\n
<\/p>\n
Lembrando que B = \u00d1 A, onde A e o vetor potencial magn\u00e9tico, podemos obter a rela\u00e7\u00e3o de London entre a corrente e o potencial:<\/p>\n
<\/p>\n
Esta \u00faltima equa\u00e7\u00e3o quebra a simetria de gauge eletromagn\u00e9tico, uma vez que para o regime invariante no tempo<\/p>\n
<\/p>\n
Fonte: www.eletrica.ufpr.br<\/p>\n
Supercondutividade<\/h6>\n
Introdu\u00e7\u00e3o<\/strong><\/h4>\n
\nSupercondutores s\u00e3o materiais que perdem a resist\u00eancia \u00e0 corrente el\u00e9trica quando est\u00e3o abaixo de uma certa temperatura. <\/strong><\/p>\n<\/blockquote>\n
A compreens\u00e3o dos complexos mecanismos que levam alguns materiais a se comportarem como supercondutores vem intrigando os cientistas h\u00e1 quase um s\u00e9culo. Tudo come\u00e7ou com o trabalho de Heike Kamerlingh-Onnes[1], que em 1911 descobriu que o Hg podia transportar corrente el\u00e9trica sem nenhuma resist\u00eancia aparente, como mostrado na Fig. 1. Al\u00e9m disso, esta corrente podia persistir por um tempo indefinido. <\/p>\n
Onnes conseguiu esse feito trabalhando em seu laborat\u00f3rio de baixas temperaturas em Leiden na Holanda, onde alguns anos antes tinha conseguido liquefazer o h\u00e9lio pela primeira vez. Ele deu o nome de supercondutividade ao estranho fen\u00f4meno. <\/p>\n
A partir de ent\u00e3o, o termo supercondutores vem sendo usado para denotar todos os materiais que, abaixo de uma certa temperatura cr\u00edtica, Tc, perdem a resist\u00eancia \u00e0 passagem de corrente el\u00e9trica, al\u00e9m de apresentar outras propriedades. <\/p>\n
Dois anos ap\u00f3s a descoberta, em 1913, Onnes \u00e9 agraciado com o pr\u00eamio Nobel de F\u00edsica. Em seu discurso, ele observa ainda que o estado supercondutor podia ser destru\u00eddo aplicando-se um campo magn\u00e9tico suficientemente grande.<\/p>\n
<\/p>\n
A partir da descoberta inicial, a supercondutividade foi sendo procurada em v\u00e1rios materiais e, em especial, nos metais, que s\u00e3o naturalmente bons condutores de eletricidade. Em1929, o Tc recorde estava com o Ni\u00f3bio em 9.25 K; em 1941 com a liga de Ni\u00f3bio-Nitrog\u00eanio em 16 K; j\u00e1 em 1953 com a liga de Van\u00e1dio-Sil\u00edcio em 17.5 K; e da\u00ed por diante. At\u00e9 1986, o Tc recorde estava com a liga de Ni\u00f3bio e Germ\u00e2nio em 23.2 K, quando ent\u00e3o os supercondutores de alta temperatura foram descobertos. <\/p>\n
A supercondutividade<\/strong> a baixas temperaturas descrita em 1957 pela teoria BCS, desenvolvida pelos cientistas americanos John Bardeen, Leon Cooper e John Schrie\u00e9r. Em 1972, eles foram agraciados com o pr\u00eamio Nobel de F\u00edsica em reconhecimento \u00e0 import\u00e2ncia desta teoria. <\/p>\n
No entanto, mesmo sendo precisa na explica\u00e7\u00e3o da supercondutividade a baixas temperaturas em metais e ligas simples, a teoria BCS revelou-se ineficiente na descri\u00e7\u00e3o completa da supercondutividade a altas temperaturas, como nas cer\u00e2micas supercondutoras descobertas na d\u00e9cada de 80. A primeira delas, La2_xBaxCuO4 foi descoberta por Alex M\u00fcller e Georg Bednorz em 1986. <\/p>\n
Essa descoberta foi de tal import\u00e2ncia que mudou notadamente os rumos da supercondutividade. O fato mais marcante foi que a supercondutividade foi descoberta em um material at\u00e9 ent\u00e3o considerado isolante, ou seja, que normalmente \u00e9 um p\u00e9ssimo condutor de eletricidade. At\u00e9 ent\u00e3o, os cientistas n\u00e3o tinham considerado seriamente a possibilidade de um material como este ser um supercondutor, muito menos de ter um Tc maior que o dos metais. <\/p>\n
No ano seguinte, M\u00fcller e Bednorz ganham o pr\u00eamio Nobel de F\u00edsica pela descoberta. De 1987 at\u00e9 hoje, os cientistas passaram a procurar intensamente novas cer\u00e2micas supercondutoras e dezenas delas foram descobertas elevando o valor recorde de Tc a incr\u00edveis 138 K para o composto Hg0.8Tl0.2Ba2Ca2Cu3O8.33, a press\u00e3o ambiente. <\/p>\n
Em contrapartida, a procura de novos compostos met\u00e1licos supercondutores foi deixada de lado devido ao entusiasmo gerado com as possibilidades abertas com a descoberta dos supercondutores de alto Tc. <\/p>\n
Em janeiro de 2001, a comunidade cient\u00edfica \u00e9 sacudida novamente com a descoberta da supercondutividade no composto met\u00e1lico MgB2, a 39.2 K. Nada menos que 16 K maior que qualquer composto met\u00e1lico at\u00e9 ent\u00e3o conhecido. <\/p>\n
Para melhor apreciar a import\u00e2ncia desta descoberta e como ela est\u00e1 revolucionando o estudo da supercondutividade, vamos entender com mais detalhes algumas caracter\u00edsticas dos supercondutores e algumas de suas aplica\u00e7\u00f5es.<\/p>\n
A. Supercondutores Tipo 1 e Tipo 2<\/strong><\/h4>\n
Os supercondutores s\u00e3o divididos em dois tipos, de acordo com suas propriedades espec\u00edficas:<\/strong> <\/p>\n
Os supercondutores do Tipo 1<\/strong> s\u00e3o formados principalmente pelos metais e por algumas ligas e, em geral, s\u00e3o condutores de eletricidade \u00e0 temperatura ambiente. <\/p>\n
Eles possuem um Tc extremamente baixo, que, segundo a teoria BCS, seria necess\u00e1rio para diminuir as vibra\u00e7\u00f5es dos \u00e1tomos do cristal e permitir o fluxo sem dificuldades dos el\u00e9trons pelo material, produzindo assim a supercondutividade. <\/p>\n
Os supercondutores desse tipo foram os primeiros a serem descobertos e os cientistas verificaram que a transi\u00e7\u00e3o para o estado supercondutor a baixa temperatura tinha caracter\u00edsticas peculiares: ela acontecia abruptamente, veja Fig. 2(a), e era acompanhada pelo efeito Meissner. Esse efeito, que talvez seja a caracter\u00edstica mais famosa dos supercondutores, \u00e9 a causa da levita\u00e7\u00e3o magn\u00e9tica de um \u00edm\u00e3, por exemplo, quando \u00e9 colocado sobre um peda\u00e7o de supercondutor. <\/p>\n
A explica\u00e7\u00e3o para o fen\u00f4meno est\u00e1 na repuls\u00e3o total dos campos magn\u00e9ticos externos pelos supercondutores do Tipo 1, o que faz com que o campo magn\u00e9tico interno seja nulo, desde que o campo externo aplicado n\u00e3o seja muito intenso. A maioria dos materiais, como vidro, madeira e \u00e1gua, tamb\u00e9m repele campos magn\u00e9ticos externos, o que faz com que o campo no interior deles seja diferente do campo externo aplicado. <\/p>\n
Esse efeito \u00e9 chamado de diamagnetismo e tem sua origem no movimento orbital dos el\u00e9trons ao redor dos \u00e1tomos, que cria pequenos “loopings” de correntes. Elas, por sua vez, criam campos magn\u00e9ticos, segundo as leis da eletricidade e magnetismo e, com a aplica\u00e7\u00e3o de campo magn\u00e9tico externo tendem a se alinhar de tal forma que se oponham ao campo aplicado. <\/p>\n
No caso dos condutores, al\u00e9m do alinhamento do movimento orbital dos el\u00e9trons, correntes de blindagem s\u00e3o induzidas no material e cancelam parte do campo magn\u00e9tico no seu interior. Se considerarmos um condutor ideal, ou seja, que n\u00e3o apresenta resist\u00eancia \u00e0 corrente el\u00e9trica, o cancelamento do campo \u00e9 total, caracterizando o chamado “diamagnetismo perfeito”. Nos supercondutores do Tipo 1, o cancelamento do campo magn\u00e9tico interno tamb\u00e9m \u00e9 total, por\u00e9m esse comportamento \u00e9 distinto do diamagnetismo perfeito. <\/p>\n
Como podemos ver na Fig. 3, os supercondutores do Tipo 1, no estado supercondutor, possuem campo magn\u00e9tico nulo no seu interior, mesmo no caso de o campo magn\u00e9tico externo ser diferente de zero antes da transi\u00e7\u00e3o supercondutora, diferente do comportamento de um condutor ideal.<\/p>\n
<\/p>\n
<\/p>\n
Praticamente todos os metais s\u00e3o supercondutores do Tipo 1, a temperaturas suficientemente baixas. Entre eles, temos (Tc em Kelvinentre par\u00eanteses): Pb (7.2), Hg (4.15), Al (1.175), Ti (0.4), U (0.2), W(0.0154), Rh (0.000325). Curiosamente os melhores condutores dispon\u00edveis, que s\u00e3o o ouro (Au), a prata (Ag) e o Cobre (Cu) n\u00e3o s\u00e3o supercondutores. J\u00e1 os supercondutores do Tipo 2<\/strong> s\u00e3o formados por ligas met\u00e1licas e outros compostos. As exce\u00e7\u00f5es s\u00e3o os metais puros, Van\u00e1dio (V), Tecn\u00e9cio (Tc) e Ni\u00f3bio (Nb). Em geral, as temperaturas cr\u00edticas associadas a eles s\u00e3o muito mais altas que as dos supercondutores do Tipo 1, como \u00e9 o caso das cer\u00e2micas baseadas em \u00f3xidos de cobre. <\/p>\n
No entanto, o mecanismo at\u00f4mico que leva \u00e0 supercondutividade neste tipo de supercondutor, at\u00e9 hoje n\u00e3o est\u00e1 completamente desvendado. O primeiro material supercondutor do Tipo 2 descoberto foi uma liga de chumbo e bismuto fabricada em 1930 por W. de Haase J. Voogd. Eles perceberam que a liga apresentava caracter\u00edsticas distintas dos supercondutores convencionais, Tipo 1. <\/p>\n
A transi\u00e7\u00e3o para o estado supercondutor era gradual, com a presen\u00e7a de um estado intermedi\u00e1rio, como est\u00e1 mostrado na Fig 2(b). Al\u00e9m disso, o efeito Meissner n\u00e3o era perfeito: o material permitia a penetra\u00e7\u00e3o de algum campo magn\u00e9tico, de modo contr\u00e1rio aos supercondutores do Tipo 1. No estado intermedi\u00e1rio, o supercondutor do Tipo 2 apresenta regi\u00f5es no estado normal, cercada por regi\u00f5es supercondutoras, como \u00e9 mostrado na Fig. 4(a). <\/p>\n
Essas regi\u00f5es mistas, chamadas de v\u00f3rtices, permitem a penetra\u00e7\u00e3o de campo magn\u00e9tico no material, atrav\u00e9s dos n\u00facleos normais. Conforme a temperatura aumenta, dentro do estado intermedi\u00e1rio, os n\u00facleos v\u00e3o superando as regi\u00f5es supercondutoras, como \u00e9 mostrado na Fig. 4(b). Isso acontece at\u00e9 a perda completa do estado supercondutor, quando os n\u00facleos normais se sobrep\u00f5em. \u00a0<\/p>\n
<\/p>\n
Todos os supercondutores de alta temperatura pertencem ao Tipo 2, incluindo-se o recordista atual, que pertence \u00e0 classe das cer\u00e2micas baseadas em \u00f3xidos de cobre (cupretos). A seguir, enumeramos alguns destes compostos com seu respectivo Tc<\/i>\u00a0em Kelvin, entre par\u00eanteses: Hg0.8Tl0.2Ba2Ca2Cu3O8.33\u00a0(138), Bi2Sr2Ca2Cu3O10(115), Ca1-x<\/i>Srx<\/i>CuO2\u00a0(110), TmBa2Cu3O7\u00a0(101), YBa2Cu3O7+\u00a0(93), La1.85Ba.15CuO4\u00a0(35), CsC60(40), MgB2(39.2), Nb3Ge (23.2) e os metais Nb (9.25), Tc(7.8) e V (5.4).\u00a0<\/p>\n
B. Teoria BCS<\/strong><\/h4>\n
A teoria que viria a explicar satisfatoriamente a supercondutividade abaixas temperaturas, presente nos supercondutores do Tipo 1, apareceu somente em 1957, gra\u00e7as ao trabalho de John Bardeen, Leon Cooper e Robert Schrieffer. <\/p>\n
Um ponto chave na teoria criada por eles \u00e9 a forma\u00e7\u00e3o de pares de el\u00e9trons, conhecidos como pares de Cooper, atrav\u00e9s de intera\u00e7\u00f5es com oscila\u00e7\u00f5es da rede cristalina. <\/p>\n
Esta teoria \u00e9 conhecida hoje como teoria BCS, nome formado com as iniciais dos sobrenomes dos autores, que podem ser vistos na\u00a0Fig. 5. Os el\u00e9trons, assim como todas as part\u00edculas com spin fracion\u00e1rio, s\u00e3o chamados de f\u00e9rmions e obedecem ao princ\u00edpio de exclus\u00e3o de Pauli, o qual pro\u00edbe que duas part\u00edculas ocupem o mesmo n\u00edvel de energia. <\/p>\n
No entanto, os pares de Cooper se comportam de maneira muito diferente do de el\u00e9trons isolados. Eles atuam como b\u00f3sons, part\u00edculas de spin inteiro, podendo se condensar em um mesmo n\u00edvel de energia. <\/p>\n
Os pares de Cooper podem ser comparados a duas bolas de boliche nas bordas de um colch\u00e3o de \u00e1gua, como mostrado na\u00a0Fig 6. Conforme algu\u00e9m empurra uma das bolas, o colch\u00e3o se deforma e a deforma\u00e7\u00e3o atrai a segunda bola.<\/p>\n
<\/p>\n
Em suma, na teoria BCS, a atra\u00e7\u00e3o entre pares de el\u00e9trons mediada por oscila\u00e7\u00f5es da rede cristalina \u00e9 a respons\u00e1vel pela supercondutividade. Os pares de Cooper formam um condensado que flui sem resist\u00eancia pelo material e atua expelindo campos magn\u00e9ticos externos fracos, ocasionando o efeito Meissner. Uma discuss\u00e3o mais detalhada da teoria BCS e dos supercondutores do Tipo 1 pode ser encontrada no artigo de Ostermann et al.[5]<\/p>\n
C. Supercondutores a altas temperaturas<\/strong><\/h4>\n
Mesmo tendo muito sucesso na explica\u00e7\u00e3o da supercondutividade a baixas temperaturas, a teoria BCS n\u00e3o explica satisfatoriamente o fen\u00f4meno a altas temperaturas. <\/p>\n
O primeiro material dessa classe foi descoberto 15 anos atr\u00e1s e deixou a comunidade cient\u00edfica perplexa, pois a supercondutividade havia sido descoberta em cer\u00e2micas, um material que geralmente \u00e9 isolante, e o mais impressionante, em torno de 30 K. <\/p>\n
Os descobridores, George Bednorz e Alex M\u00fcller [6], podem ser vistos na Fig. 7. A descoberta se tornou ainda mais surpreendente quando, em novembro de 1986, Paul Chu da Universidade de Houston e Mang-Kang Wu da Universidade do Alabama, descobriram que o YBa2Cu3O7, simbolizado por YBCO e mostrado na Fig. 8, com sua estrutura de camadas, superconduzia a 93 K, ou seja, a temperaturas superiores \u00e0 temperatura do nitrog\u00eanio l\u00edquido (77K). <\/p>\n
Ficou claro naquele ano que uma revolu\u00e7\u00e3o na F\u00edsica havia come\u00e7ado. No ano seguinte, em uma sess\u00e3o especial da reuni\u00e3o de mar\u00e7o da Sociedade Americana de F\u00edsica em Nova Iorque, ocorreu a celebra\u00e7\u00e3o do come\u00e7o da nova era da supercondutividade. <\/p>\n
Este evento, que ficou conhecido como o “Woodstock” da F\u00edsica, reuniu mais de 3000 pessoas na sala de apresenta\u00e7\u00e3o principal, com outras 3000 pessoas assistindo em circuito de televis\u00e3o fechado, do lado de fora. <\/p>\n
Nos anos seguintes, v\u00e1rias outras cer\u00e2micas supercondutoras foram descobertas, todas baseadas em \u00f3xidos de cobre, incluindo aquelas com t\u00e1lio e merc\u00fario que hoje apresentam as maiores temperaturas cr\u00edticas.<\/p>\n
<\/p>\n
<\/p>\n
II Aplica\u00e7\u00f5es de supercondutores<\/strong><\/h4>\n
Os supercondutores<\/strong> s\u00e3o materiais muito interessantes para uso em v\u00e1rias aplica\u00e7\u00f5es devido \u00e0s suas propriedades peculiares. <\/p>\n
A maioria das suas aplica\u00e7\u00f5es se vale da resistividade nula, que em alguns aparelhos el\u00e9tricos \u00e9 sin\u00f4nimo de efici\u00eancia m\u00e1xima, como \u00e9 o caso dos geradores de eletricidade e dos cabos de transmiss\u00e3o, que n\u00e3o t\u00eam perda de energia el\u00e9trica por calor. Outras aplica\u00e7\u00f5es se valem dos altos campos magn\u00e9ticos que podem ser obtidos e cientemente com magnetos supercondutores. <\/p>\n
Os aparelhos de resson\u00e2ncia magn\u00e9tica, por exemplo, assim como os trens flutuantes (Maglev) e alguns aparelhos utilizados no estudo de materias utilizam estes campos. As outras aplica\u00e7\u00f5es mais comuns se valem do efeito Meissner.<\/p>\n
A. Produ\u00e7\u00e3o e transmiss\u00e3o de eletricidade<\/strong><\/h4>\n
Uma aplica\u00e7\u00e3o ideal para os supercondutores seria a transmiss\u00e3o de energia el\u00e9trica das esta\u00e7\u00f5es geradoras para as cidades<\/strong>. <\/p>\n
Entretanto, isso est\u00e1 longe de ser economicamente vi\u00e1vel devido ao alto custo e \u00e0 dificuldade t\u00e9cnica de se refrigerar v\u00e1rios quil\u00f4metros de cabos supercondutores a temperaturas criog\u00eanicas, embora cabos de at\u00e9 45 metros possam ser encontrados em utiliza\u00e7\u00e3o. <\/p>\n
Cabos de 120 metros, capazes de transportar 100 milh\u00f5es de watts est\u00e3o sendo constru\u00eddos pela empresa americana Pirelli Wire e devem entrar em opera\u00e7\u00e3o brevemente em uma subesta\u00e7\u00e3o em Frisbie, Detroit. Na Fig. 9, podemos ver um cabo BSCCO (Bi2Sr2CaCu2O9) resfriado com nitrog\u00eanio l\u00edquido. <\/p>\n
J\u00e1 a constru\u00e7\u00e3o e utiliza\u00e7\u00e3o de geradores de eletricidade em usinas geradoras t\u00eam grande potencial. Como a e_ci\u00eancia desses geradores \u00e9 maior que 99% e seu tamanho \u00e9 a metade daquele dos geradores convencionais feitos de cobre, eles s\u00e3o muito atrativos e v\u00e1rias empresas t\u00eam planos para constru\u00ed-los. A empresa americana General Eletric \u00e9 uma delas e est\u00e1 atualmente desenvolvendo um prot\u00f3tipo capaz de gerar 100 MVA (megawatt-ampere).<\/p>\n
<\/p>\n
Al\u00e9m de produzir e transmitir eletricidade, os supercondutores podem tamb\u00e9m ser usados para armazen\u00e1-la. Existem dois tipos principais de baterias que podem ser constru\u00eddas. <\/p>\n
\nO primeiro tipo<\/strong> \u00e9 o das SMES (super-conducting magnetic energy storage), veja Fig. 10(a), que podem ser descritas como bobinas gigantes, matendo uma alta corrente, que podem ser usadas quando desejado. <\/p>\n
O segundo tipo<\/strong> \u00e9 chamado comumente de “flywheel” e consiste em um \u00edm\u00e3 permanente em formato cil\u00edndrico, com grande massa, girando com alta velocidade sobre um supercondutor, veja Fig. 10(b). Esta bateria utiliza-se do efeito Meissner, que faz os supercondutores repelirem fortemente qualquer im\u00e3 permanente.<\/p>\n<\/blockquote>\n
<\/p>\n
As baterias supercondutoras s\u00e3o especialmente interessantes na estabiliza\u00e7\u00e3o de redes el\u00e9tricas, em especial as SMES. Em mar\u00e7o de 2000, por exemplo, foi encomendada a fabrica\u00e7\u00e3o de um conjunto delas SMES para a estabiliza\u00e7\u00e3o da rede do estado de Winconsin – EUA. Um conjunto destas SMES \u00e9 capaz de reservar mais de 3 milh\u00f5es de watts para ser usado durante pequenos blecautes.<\/p>\n
B. Trem magneticamente levitado (MAGLEV)<\/strong><\/h4>\n
Como altas correntes el\u00e9tricas podem ser mantidas nos supercondutores, altos campos magn\u00e9ticos podem ser gerados, de acordo com as leis da eletricidade e magnetismo. <\/p>\n
Uma das aplica\u00e7\u00f5es \u00e9 a levita\u00e7\u00e3o magn\u00e9tica que pode ser utilizada em ve\u00edculos de transporte, como trens, eliminando a fric\u00e7\u00e3o com os trilhos. Trens desse tipo podem ser feitos com magnetos convencionais, pois utilizam basicamente atra\u00e7\u00e3o e repuls\u00e3o magn\u00e9ticas na levita\u00e7\u00e3o. Entretanto, os magnetos convencionais desperdi\u00e7am energia el\u00e9trica na forma de calor e precisam ser bem maiores que os magnetos supercondutores para fornecerem os campos magn\u00e9ticos necess\u00e1rios \u00e0 levita\u00e7\u00e3o. <\/p>\n
Na d\u00e9cada de 90, trens comerciais come\u00e7aram a ser desenvolvidos principalmente no Jap\u00e3o, onde o desenvolvimento da tecnologia MA-GLEV ganhou apoio maci\u00e7o do governo. Recentemente o \u00faltimo prot\u00f3tipo desenvolvido, MLX01 (veja Fig. 11), chegou a 552 Km\/h em uma composi\u00e7\u00e3o tripulada, de 5 vag\u00f5es. Outros trens est\u00e3o sendo desenvolvidos e devem entrar em opera\u00e7\u00e3o nos pr\u00f3ximos anos na Alemanha e nos Estados Unidos.<\/p>\n
C. Resson\u00e2ncia magn\u00e9tica nuclear<\/strong><\/h4>\n
Outra aplica\u00e7\u00e3o para os altos campos magn\u00e9ticos obtidos dos supercondutores \u00e9 a fabrica\u00e7\u00e3o e utiliza\u00e7\u00e3o de aparelhos de resson\u00e2ncia magn\u00e9tica nuclear (RMN). <\/p>\n
O princ\u00edpio de funcionamento desses aparelhos \u00e9 baseado na resson\u00e2ncia que os \u00e1tomos de hidrog\u00eanio entram na aplica\u00e7\u00e3o de campo magn\u00e9tico forte. Os \u00e1tomos de H presentes nas mol\u00e9culas de \u00e1gua e de gordura absorvem a energia magn\u00e9tica e a emitem numa frequ\u00eancia, que \u00e9, detectada e analisada graficamente em um computador. A Fig. 12 mostra uma imagem por RMN. O diagn\u00f3stico atrav\u00e9s de imagens deste tipo tornou-se atualmente um procedimento m\u00e9dico indispens\u00e1vel devido, principalmente, ao desenvolvimento da capacidade de processamento dos computadores, necess\u00e1ria na an\u00e1lise da grande quantidade de dados que \u00e9 gerada durante os exames. \u00a0<\/p>\n
<\/p>\n
III Supercondutividade no MgB2<\/strong><\/h4>\n
Desde a descoberta da supercondutividade a altas temperaturas em cer\u00e2micas 15, anos atr\u00e1s, os pesquisadores praticamente ignoraram compostos met\u00e1licos simples porque, em geral, superconduzem a temperaturas muito baixas. <\/p>\n
Assim, foi um choque quando nos primeiros meses de 2001, a comunidade cient\u00edfica tomou conhecimento da descoberta de Akimitsu e seus colaboradores[10]. Um composto intermet\u00e1lico com Tc = 39K acima de qualquer outra liga met\u00e1lica, tinha sido descoberto. <\/p>\n
Segundo Cav[11], o que torna a descoberta ainda mais fant\u00e1stica \u00e9 que ela foi feita praticamente ao acaso, por um grupo de cientistas que n\u00e3o estavam interessados em supercondutividade. Akimitsu e seu grupo estavam procurando um material semicondutor similar ao CaB6. Eles tentaram substituir o Ca por Mg, que est\u00e1 logo acima na tabela peri\u00f3dica. <\/p>\n
Como liga inicial, eles sintetizam o MgB2, um composto simples com o processo de fabrica\u00e7\u00e3o conhecido desde 1954[12, 13] e vendido por fornecedores de materiais inorg\u00e2nicos por aproximadamente 3 d\u00f3lares o grama[14]. Tamanho deve ter sido o susto quando eles descobriram o valor da temperatura cr\u00edtica do composto.Segundo o artigo original de Akimitsu et al., as amostras de MgB2 foram preparadas na maneira usual, misturando-se Magn\u00e9sio em p\u00f3 (99.9% Mg) e Boro amorfo, tamb\u00e9m em p\u00f3, (99% B) na raz\u00e3o apropriada (Mg:B = 1:2). As amostras foram, ent\u00e3o, prensadas e aquecidas a 973 K sob alta press\u00e3o de arg\u00f4nio (196 MPa), por 10 horas. <\/p>\n
Exames da amostra resultante por difra\u00e7\u00e3o de raio X revelaram a forma\u00e7\u00e3o da estrutura hexagonal do MgB2, como mostra a Fig. 13. O estado supercondutor foi, ent\u00e3o, demonstrado, medindo a resistividade e a magnetiza\u00e7\u00e3o da amostra na presen\u00e7a de campo magn\u00e9tico. <\/p>\n
Na Fig. 14 podemos ver a susceptibilidade no MgB2. Devido ao efeito Meissner, a amostra se magnetiza na dire\u00e7\u00e3o oposta ao campo magn\u00e9tico, e portanto a susceptibilidade, que \u00e9 a raz\u00e3o da magnetiza\u00e7\u00e3o pelo campo magn\u00e9tico, \u00e9 negativa. Quando o efeito Meissner n\u00e3o \u00e9 perfeito, os valores da susceptibilidade ficam entre -1 e 0, como \u00e9 o caso. Na Fig. 15 podemos ver a perda da resistividade a 39 K.<\/p>\n
<\/p>\n
<\/p>\n
A. Fabrica\u00e7\u00e3o de MgB2 em p\u00f3 e depend\u00eancia isot\u00f3pica de Tc<\/strong><\/h4>\n
Logo ap\u00f3s a divulga\u00e7\u00e3o da descoberta de Akimitsu et al., v\u00e1rios grupos ao redor do mundo come\u00e7aram seus estudos para reproduzir e confirmar a descoberta dos japoneses. <\/p>\n
Entre eles, um grupo de cientistas do laborat\u00f3rio Ames, incluindo Paul Canfield, Doug Finnemore e Sergey Bud’ko[15, 16, 17], conseguiu sistematizar a produ\u00e7\u00e3o de MgB2 em p\u00f3 com alta pureza em um processo de duas horas. <\/p>\n
O processo consistia em misturar Mg (99.9% puro) e B (99.5%) na raz\u00e3o estequiom\u00e9trica correta em um tubo de Ta, que era ent\u00e3o selado em uma ampola de quartzo e colocado em um forno a 950-C. Ap\u00f3s duas horas, a ampola era retirada e o material resfriado \u00e0 temperatura ambiente. <\/p>\n
Como o ponto de fus\u00e3o do Mg \u00e9 de 922 K e o do B \u00e9 de 2573 K, o processo de fabrica\u00e7\u00e3o do MgB2 feito a 1222 K (950 -C) acontece com Mg na fase l\u00edquida e B ainda na fase s\u00f3lida. Isso, aliado ao fato de que quando peda\u00e7os grandes de B s\u00e3o utilizados a amostra resultante n\u00e3o \u00e9 homog\u00eanea, levou os cientistas a perceberem que a rea\u00e7\u00e3o se d\u00e1 pela difus\u00e3o dos \u00e1tomos de Mg pelas part\u00edculas de B.<\/p>\n
Ap\u00f3s a sistematiza\u00e7\u00e3o da produ\u00e7\u00e3o, eles zeram substitui\u00e7\u00f5es isot\u00f3picas. Trocando o is\u00f3topo 11B, que forma 80% do Boro presente na natureza, por 10B, eles descobriram que o Tc aumentava em 1.0 K, veja Fig. 16. Essa depend\u00eancia isot\u00f3pica de Tc verificada \u00e9 consistente com a prevista na teoria BCS, ou seja, proporcional a M1\/2. Assim, mesmo tendo um Tc incrivelmente grande, o MgB2 \u00e9 um supercondutor convencional, com os f\u00f4nons gerados pelos \u00e1tomos de B mediando a intera\u00e7\u00e3o entre el\u00e9trons na forma\u00e7\u00e3o dos pares de Cooper.<\/p>\n
<\/p>\n
B. Fabrica\u00e7\u00e3o de fios<\/strong><\/h4>\n
Dados o alto Tc do MgB2 e a abund\u00e2ncia dos elementos Mg e B na crosta terrestre, (o magn\u00e9sio \u00e9 o oitavo elemento mais abundante na Terra), a quest\u00e3o imediata que fica \u00e9 se o processo de fabrica\u00e7\u00e3o de fios \u00e9 simples e barato, e o principal, se os fios s\u00e3o capazes de transportar altas correntes el\u00e9tricas. <\/p>\n
Este, de fato, \u00e9 o problema principal enfrentando na utiliza\u00e7\u00e3o das cer\u00e2micas supercondutoras em aplica\u00e7\u00f5es do dia a dia. Em um trabalho recente, Canfield[15] e colaboradores descrevem um processo de fabrica\u00e7\u00e3o de fios bem simples e barato, utilizando fibras de Boro e Magn\u00e9sio fundido, veja Fig.17. <\/p>\n
Como o ponto de fus\u00e3o do Mg \u00e9 de 922 K e o do B \u00e9 de 2573 K (950-C) leva em conta a alta difus\u00e3o do Mg pelas fibras de B. As fibras de B s\u00e3o seladas juntamente com Mg em p\u00f3, em um tubo de Ta, na raz\u00e3o estequiom\u00e9trica correta, o tubo \u00e9, ent\u00e3o, lacrado em uma ampola de quartzo e levado ao forno. Ap\u00f3s aproximadamente duas horas de rea\u00e7\u00e3o, a ampola \u00e9 removida do forno e resfriada \u00e0 temperatura ambiente. <\/p>\n
A apar\u00eancia deformada dos fios, logo ap\u00f3s a retirada do tubo de Ta, pode ser observada na Fig. 18. As fibras flex\u00edveis e retas de B mostram-se deformadas e quebradi\u00e7as ap\u00f3s a rea\u00e7\u00e3o. Segundo Canfield, os fios eram 80% densos e mostraram resistividade de 9.6 mWcm \u00e0 temperatura ambiente. <\/p>\n
Isso quer dizer que, mesmo no estado normal, os fios de MgB2 s\u00e3o bons condutores de eletricidade, melhores at\u00e9 que o chumbo, cuja resistividade \u00e9 21mWcm. Os fios podiam ainda transportar correntes de at\u00e9 Jc = 60kA\/cm2. O comprimento m\u00e1ximo alcan\u00e7ado foi 5cm, mas fios maiores poderiam ser constru\u00eddos, considerando-se a prote\u00e7\u00e3o externa com revestimento.<\/p>\n
<\/p>\n
C. Vantagens e aplica\u00e7\u00f5es em potencial<\/strong><\/h4>\n
O entusiasmo com a redescoberta do MgB2 justifica-se por duas raz\u00f5es principais. Primeiro, porque a liga, como vimos anteriormente, superconduz seguindo a teoria BCS[4]. Assim, diferentemente das cer\u00e2micas supercondutoras, a liga parece ser um supercondutor convencional, como a maioria dos metais, mas com uma temperatura surpreendentemente alta. <\/p>\n
Segundo, porque, sendo uma liga met\u00e1lica, \u00e9 grande a expectativa de que ela se torne o material preferido na manufatura de os que s\u00e3o a base para as aplica\u00e7\u00f5es do dia-a-dia. Com Tc de 39K, \u00e9 bem poss\u00edvel que n\u00e3o seja necess\u00e1ria a refrigera\u00e7\u00e3o com h\u00e9lio l\u00edquido, o que reduz significativamente os custos das aplica\u00e7\u00f5es.<\/p>\n
D. Conclus\u00e3o<\/h4>\n
Os estudos iniciais do MgB2 indicam que o material tem grande chance de se tornar o supercondutor preferido para aplica\u00e7\u00f5es, substituindo as at\u00e9 agora preferidas ligas de Ni\u00f3bio. Assim, magnetos de alto campo, usados em m\u00e1quinas de resson\u00e2ncia magn\u00e9tica, trens MAGLEVs, etc; cabos de transmiss\u00e3o; SMES e v\u00e1rias outras aplica\u00e7\u00f5es poder\u00e3o ter seu custo reduzido com o uso do MgB2. <\/p>\n
Talvez em alguns anos um exame de resson\u00e2ncia magn\u00e9tica, por exemplo, saia pela metade do pre\u00e7o com o uso do MgB2 em vez das ligas de Ni\u00f3bio.Al\u00e9m das aplica\u00e7\u00f5es imediatas, a descoberta deste novo supercondutor intermet\u00e1lico, com Tc t\u00e3o alto, reacendeu a esperan\u00e7a na procura de um supercondutor \u00e0 temperatura ambiente. Se tomarmos a tend\u00eancia mostrada na Fig. 19, este sonho n\u00e3o parece estar t\u00e3o distante. <\/p>\n
A descoberta da supercondutividade a 39 K no MgB2 \u00e9, ent\u00e3o, mais uma esperan\u00e7a de que novos supercondutores intermet\u00e1licos com Tc recorde sejam descobertos.<\/p>\n
<\/p>\n
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Fonte: www.scielo.br<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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